4.1 无刷直流基础

[音乐播放] 大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频， 本视频讨论了无刷直流电机 （也简称为 BLDC 电机）的基本原理。 在本视频中，我们将讨论 BLDC 电机 运行的基础知识、BLDC 电机的结构 以及驱动 BLDC 电机所需的电路。 首先，让我们介绍一下 BLDC 电机 运行的基础知识。 简易的 BLDC 电机模型其实就是一个位于 电机转子上的永磁体，该永磁体在定子上 被线圈包围，当电流注入时， 这些线圈充当电磁体。 通过向不同的线圈依次注入电流， 产生一个移动的磁场， 拖动转子沿圆周不断运动。 以上内容是 BLDC 电机如何旋转的基本概念。 开关注入电流的线圈以产生 运动的过程 称为换向。 BLDC 是一种三相电机，具有三个连接到相位的输入， 分别标记为A、B 和 C。 屏幕上的图显示了三个电机相， 它们缠绕成定子上的线圈，当电流注入时， 充当电磁体。 对于每个电机相线圈，例如 A 相线圈， 都有一个反相的A 相反相线圈 以相反的方式缠绕，从而产生 相反的电磁极性。 这就是我们能够同样吸引或排斥 转子相反极性侧的原因。 如前所述，通过注入电流 或换向来改变定子线圈的相位， 会产生一个移动的磁场， 拖动转子沿圆周不断运动。 刷式和无刷直流电机的 最大区别是换向。 在刷式直流电机中，换向由电机的 机械设计自动控制。 您可以在模块“刷式直流电机 1，基础知识”中 了解有关刷式直流电机的更多信息。 在无刷直流电机中，换向需要 由电机驱动器电路使用电机的 转子位置反馈来确定。 反馈机制将在我们后续的 系列视频中介绍。 尽管刷式直流电机上的电刷 使电机驱动电子设备的复杂性降低， 但由于电机的紧凑结构， 电刷可能会导致高散热。 电刷换向还会在电刷 闭合和断开触点时产生火花， 这会对电机的寿命产生负面影响， 并且还会引起 EMI 辐射。 虽然无刷直流电机避免了所有这些问题， 但它确实需要更复杂的电机 驱动器电路才能正确换向。 现在，让我们了解一下BLDC 电机的绕线方式。 BLDC 电机结构的三个电机相的绕组连接方式 可能有所不同。 左侧显示的是Y 形绕组或星形连接， 右侧显示的是三角形绕组连接。 Y 形或星形连接是最常见的 绕组结构。 要记住的重要一点是， 无论采用哪种绕组结构，这两类电机的 驱动方式都是相同的。 Y 形绕组通常效率更高， 电阻损耗更少， 对寄生电流的免疫力更强， 并且在低速时具有更高的转矩。 三角形绕组的主要优点是最高转速更高。 反电动势，也称为反 EMF， 这是电机相位中的一个电压， 它会阻止产生该感应电压的电流发生变化， 并且在一些无传感器电机控制驱动 算法中用于指示转子位置。 在本系列的后续视频中，我们将更深入地 探讨反电动势这一主题。 BLDC 电机的结构决定了电机 是否具有左图所示的正弦形 反电动势，或中间图所示的 梯形反电动势。 反电动势的形状很重要， 因为它将决定可使用的最有效的 电机控制技术。 我们将在本系列的后续视频中对此进行 更详细的讨论。 为了观察电机的反电动势形状， 只需将示波器电压探针 跨接在电机的两相上，旋转电机转子， 然后在示波器上看到反电动势。 当 BLDC 转子上的永磁体具有 一对以上的南北极 （也称为极对）时，电气周期 和机械周期这两个概念 会有所不同。 机械周期是电机转子旋转 一整圈的时间，如屏幕上的 动画所示。 通常，当人们提到电机的转速时， 他们指的是机械周期。 如屏幕上的动画所示， 电气周期是转子旋转 通过一组极对的时间。 电气周期之所以重要，是因为在某些 电机转子位置跟踪方法中， 转子位置是根据电气周期来检测的。 从对电气周期和机械周期的 描述可以推断，一个机械周期 等于电气周期 乘以极对数。 将其与速度相联立， 机械转速方程等于电气转速 除以永磁转子的极对数。 现在，我们来看看驱动 BLDC 电机 所需的典型电路。 驱动 BLDC 电机所需的电路 由五个模块组成。 这些模块包括一个控制块、 三个直接向电机供电的半桥电路， 允许控制块与半桥电路连接的 栅极驱动器，用于决定换向的 电机转子位置感应反馈 以及任何保护电路。 让我们深入研究一下这些模块中的每个模块。 三个半桥电路均分别使用 虚线框表示。 每个半桥电路由两个串联的 MOSFET 组成，其结点连接到 三个电机相中的一个相。 半桥电路可以将电机的相线 连接至 Vcc 或接地， 并以红色虚线所示的方式 在定子线圈中 注入或激励电流。 换向的实现取决于 半桥电路切换相位 和定子线圈受激励的能力。 产生一个移动的磁场， 并旋转 BLDC 电机。 栅极驱动器是一种连接到 MOSFET 栅极并用于打开或关闭它们的电路。 电机驱动器件可以只集成 栅极驱动器并使用外部半桥电路， 也可以集成栅极驱动器电路 和三个半桥电路。 在本系列的后续视频中，我们将更详细地 介绍栅极驱动器。 由于 BLDC 电机的换向不是由 机械设计自动完成的， 因此需要一个控制块来指示换向 并控制栅极驱动器。 控制块可以有多种形式， 包括 MCU、FPGA、DSP、数字状态机 或纯模拟实现。 由于换向是由电机转子位置决定的， 因此控制块需要转子位置反馈。 该转子位置反馈可以来自外部传感器， 如编码器和霍尔效应传感器， 也可以来自电机电压和电流， 如无传感器反电动势。 在本系列的后续视频中， 我们将探讨不同的转子反馈系统。 在电机运行期间，有许多情况 可能会损坏电机驱动器或电机本身， 因此配备保护电路非常重要。 过流保护或 OCP可阻止电机电流 超过额定限值。 如果电机驱动器超过其额定温度， 热关断保护将停止电机运行。 欠压锁定 (UVLO)可保护电机控制电路， 使其免受电源电压降至工作范围 以下的影响。 击穿保护电路有助于防止 半桥电路中的两个 MOSFET 同时导通，从而导致 电流短路。 锁定检测电路可确定电机何时失速。 抗电压浪涌保护 (AVS) 有助于 防止电机将能量泵入 系统电源。 在本系列的后续视频中， 我们将进一步探讨电机的保护电路。 如需查找更多电机驱动器技术资源和搜索产品， 请访问ti.com/motordrivers。